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Wiederholung 4. Stunde

Was ist eine Reanalyse ? Welche Daten wurden in ERA-40 verwendet und was ist der Output? Wie funktioniert die variationelle Datenassimilation ? Was macht der Operator H?. Wiederholung 4. Stunde.

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Wiederholung 4. Stunde

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Presentation Transcript

  1. Was ist eine Reanalyse? • Welche Daten wurden in ERA-40 verwendet und was ist der Output? • Wie funktioniert die variationelle Datenassimilation? Was machtder Operator H? Wiederholung 4. Stunde • Erstellung eines möglichst genauen Bildes des wahren atmosphärischen Zustandes zu einem gegebenen Zeitpunkt (Pseudo-Beobachtungen) 1957-1972: Konventionelle, nicht-Satellitenbeobachtungen 1972-1988: Assimilation einiger Satellitenbeobachtungen (VTPR, TOVS und CMW). 1987-2002: Assimilation neuester Obs. (u.a. TOVS, SSM/I, ERS, ATOVS und CMW) Verschneidung von Beobachtungenund Hintergrundsfeld unter Berücksichtigung der jeweiligenFehler Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  2. Wie stark variiert die Solarkonstante zwischen Perihel und Aphel? • Wie hoch ist im Durchschnitt die tägliche Strahlungsleistung, die pro Tag auf eine Einheitsfläche an der Atmosphären-obergrenze (TOA) fällt? Wo/wann ist sie am höchsten? • Welche Erdbahnparameter steuern dieverfügbare Strahlung, d.h. die Solarkonst. TSI? Wiederholung 4. Stunde S0:  3,5 % entsprechend  48 W/m²; Messgenauigkeit ±0.3% Präzession Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  3. Sonnengeometrie für Köln Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  4. Schwankungen der solaren Einstrahlung Erde als Kreiselhttp://www.greier-greiner.at/hc/praezession_ani.htm Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  5. Schwankungen der solaren Einstrahlung • 115 kyr BP Beginn der letzten Eiszeit (Glazial) • 18 kyr BPHöhepunkt der letzten Eiszeit (Verhinderung von äquatorwärtsgerichteter Eisausbreitung) • 6 kyr BPKlimaoptimum („grüne Sahara“) ca. 35 Wm-2weniger als heute „Milankovitch“ Zyklen ausschließlicher Grund oder anstoßender Mechanismus ??? BP - before present Hense (1993/94) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  6. Korrelation mit Beobachtungen (Eisbohrkernen) Wikipedia Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  7. Netto-Solarstrahlung am Boden Verfügbare Strahlung TOA + Albedo + Absorption in Atmosphäre verfügbare Strahlung am Erdboden Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  8. Planck‘sche Ausstrahlung Planck‘sches Strahlungsgesetz gilt für ideale „schwarze“ Strahler und beschreibt eine Strahldichte (W m-2 m-1 sr-1) h Planck's Wirkungsquantum c Lichtgeschwindigkeit kbBoltzmann-Konstante νFrequenz TTemperatur Kirchhoff‘sches Gesetz εEmissionsvermögen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  9. Zusammensetzung der Atmosphäre (1990) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007 Quelle: Hartmann, D.L., Global Physical Climatology, 1994

  10. Langwellige Ausstrahlung der Atmosphäre Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  11. Das terrestrische Spektrum Ausstrahlungskurve der Erdatmosphäre vom Satelliten gemessen + Planckkurven für verschiedene Temperaturen Die am Atmosphärenoberrand gemessene langwellige Strahlung stammt aus unterschiedlichen Höhen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  12. Strahlungsbilanz TOA Hartmann, 1994 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  13. Wolken und Strahlung Hobbs, 1993 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  14. Strahlungsgleichgewicht ohne Atmosphäre Annahme: Die Erde ohne Atmosphäre steht im reinen Strahlungsgleichgewicht. • Langwellige Ausstrahlung entsprechend idealen Schwarzkörpers - über die gesamte Kugeloberfläche • Solare Einstrahlung entsprechend der Solarkonstanten - jeweils die Hälfte der Erdkugel wird von der Sonne bestrahlt - idealisierte Erdkugel hat eine Albedo von α=0.3 So 1368 Wm-2 σ 5.67·10-8 Wm-2 K-4 RE 6378 km Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  15. Strahlungsgleichgewicht Photosphäre TE=255 K α=30% ~240 W/m² absorbiert TSi~106K So=1373 Wm-² 1373 W/m² 6·107Wm-² 343 Wm-² Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  16. So/4 α So/4 σTA4 Atmo- sphäre σTA4 σTB4 Erd- ober- fläche solar terrestrisch Treibhauseffekt: 2 Schichten-Modell Global gemittelte 2-m Temperatur ca. 287 K Ausstrahlungstemperatur der Erde ca. 255 K • Im solaren Spektralbereich ist die Atmosphäre bis auf Wolken vollständig transparent (α=0.3). • Im terrestrischen Spektralbereich ist die Atmosphäre ein schwarzer Körper (ε=1). Atmosphäre ist grau (ε = 0,7706)TB=288 K und TA=242 K Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  17. Treibhauseffekt: 3 Schichten-Modell Goody und Walker, 1972 Ts = 335 K T2 = 303 K T1 = 255 K Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  18. Reines Strahlungsgleichgewicht N-Plattenmodell ... (Platte N+1: andere Subsysteme) mit: ( analog) gilt für jede Platte: Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  19. Reines Strahlungsgleichgewicht • N = 25, entspricht 2 km dicken Schichten zwischen 0 und 50 km • rj = 0 (keine solare Absorption) • Emissionvermögen konstant auf 0.05, 0.1, 0.2 • unrealistische Temperaturprofile (zu hohe Gradienten, extrem labile Schichtung) • auch die Berücksichtigung realer ε führt nicht zu besseren Ergebnissen Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  20. Vergleich Strahlungsgleichgewicht - Realität Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  21. Schlüsse aus reinem Strahlungsgleichgewicht Strahlungsgleichgewicht: → Energieüberschuss am Boden → Energiedefizit in der Atmosphäre sehr hohe Labilität inBodennähe Energietransport von unten nach oben möglich, da ausgleichender Tranportprozess notwendig um Beobachtungen gerecht zu werden ..., dazu Betrachtung der horizontal gemittelten Energiebilanz der Klimasystems: espezifischeEnergie [J/kg] Hturbulenter fühlbarer Wärmefluss LEturbulenter latenter Wärmefluss Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  22. Strahlungskonvektionsgleichgewicht StrahlungsgleichgewichtStrahlungskonvektionsgleichgewicht Manabe and Strickler 1964 Erstes "Klimamodell" zur 1.) vertikaler Wärmetransport ab einem Temperaturgradienten von 6.5 K/km (~10 K/km trockenadiabatisch, > 5 K/km feuchtadiabatisch) 2.) keine Nettomassentransport (Erfüllung Kontinuitätsgleichung) • Troposphäre horizontal gemittelt im Strahlungskonvektionsgleichgewicht • Stratosphäre im Strahlungsgleichgewicht Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  23. Strahlungsbilanz → Energiebilanz global und langjährig gemittelte Energiebilanz: % bezogen auf geothermischer Fluss (~0.06 Wm-2) vernachlässigt (Zahlen z.T. unsicher) Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

  24. Erste Vorhersagen zum Einfluss von CO2 • 300 ppm typischer Wert um 1960 • Verdopplung des CO2-Gehaltes bedeutet eine Erhöhung der Bodentemperatur um 1.4 bis 3.0 K, je nach Behandlung des Wasserdampfes • 1.) Festhalten der absoluten Feuchte ρw • 2.) Festhalten der relativen Feuchte RH positive Wasserdampfrückkopplung wesentliche Rolle des Wasserdampfes! Manabe and Wetherald, 1967 Physikalische Klimatologie, Susanne Crewell, WS 2006/2007

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